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Atomsk を用いた粒界モデリング

  • 更新

Atomsk を Matlantis へインストールし、結晶粒界を有する多結晶体を作成する方法を紹介します。

Atomsk* は 無償かつオープンソースのコマンドラインツールで、計算材料化学の原子レベルシミュレーションのための結晶や分子構造データの作成、編集などに特化しています。

*Atomsk : https://atomsk.univ-lille.fr/

 

  1. インストール
  2. 多結晶の作成

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インストール

  1. プログラム（tar.gzファイル） をDownload します。Linux amd64 (64bit) バージョンを入手してください。動作確認は beta-0.13.1 バージョンで実施しました。
    Download サイト：https://atomsk.univ-lille.fr/dl.php

  2. Matlantis 環境のAtomskをインストールしたい場所に tar.gz ファイルを移動します。今回は /home/jovyan/tools にインストールする場合について説明します。

  3. ファイルを展開し、ディレクトリの名前を "atomsk"に変更します。

    ノートブックで実行する場合：
    ※ ターミナルで実行する場合は「!」は不要です。
    !tar xvzf ~/tools/atomsk_b0.13.1_Linux-amd64.tar.gz
    !mv ~/tools/atomsk_b0.13.1_Linux-amd64 ~/tools/atomsk
  4. 以下のように atomsk コマンドが実行できればインストールは完了です。
    %%bash
    $HOME/atomsk/atomsk

    出力：
    ___________________________________________________
    | ___________ |
    | o---o A T O M S K |
    | o---o| Version Beta 0.13.1 |
    | | |o (C) 2010 Pierre Hirel |
    | o---o https://atomsk.univ-lille.fr |
    |___________________________________________________|
    *** Working out of office hours? You should sleep sometimes. :-)
    >>> Atomsk is a free, Open Source software.
    To learn more, enter 'license'.
    >>> Atomsk command-line interpreter:
    ..> Type "help" for a summary of commands.

    @atomsk:20240621_atomsk> \o/ Program terminated successfully!
    Total time: 0.001 s.; CPU time: 0.000 s.

    As an intput file, the small version of HEA structure is used.

 

 

多結晶の作成

ハイエントロピー合金 CoCrFeMnNi の結晶粒界を作成する方法を紹介します。

以下のチュートリアルを参考にしました。

  1. 最初に単位セルをシードとして用意します。atomsk では以下のように生成できます。 参考：ASEを用いる方法 


    %%bash
    ## create Ni(fcc)
    $HOME/tools/atomsk/atomsk --create fcc 3.52 Ni Ni.xsf
    ## build supercell 3x3x3
    $HOME/tools/atomsk/atomsk Ni.xsf -duplicate 3 3 3 Ni333.xsf
    # randomly substitute 20% Ni atoms with Cr
    $HOME/tools/atomsk/atomsk Ni333.xsf -select random 20% Ni -substitute Ni Cr NiCr.xsf
    # randomly substitute 20% Ni atoms with Co
    $HOME/tools/atomsk/atomsk NiCr.xsf -select random 20% Ni -substitute Ni Co NiCrCo.xsf
    # randomly substitute 20% Ni atoms with Fe
    $HOME/tools/atomsk/atomsk NiCrCo.xsf -select random 20% Ni -substitute Ni Fe NiCrCoFe.xsf
    # randomly substitute 20% Ni atoms with Mn
    $HOME/tools/atomsk/atomsk NiCrCoFe.xsf -select random 20% Ni -substitute Ni Mn CoCrFeMnNi.xsf
         

  2. 次に作成したいセルボックスのサイズなどを指定したパラメータファイル（テキスト形式）を作成します。例として、180×180×180Å  のセルボックス内に4つの結晶粒をもつ多結晶を作成するために、以下のような polycrystal_large.txt を作成しました。


    box 180 180 180 # the size of cell
    random 4 # the number of polycrystal


  3. 最後にAtomsk の --polycrystal モードで 2. で作成した設定ファイル（ここでは、polycrystal_large.txt） を使って多結晶 polycrystal_large.cfg を作成します。このとき一緒に生成される polycrystal_param.txt を使うと同じ多結晶を再現できます。


    %%bash
    $HOME/tools/atomsk/atomsk --polycrystal CoCrFeMnNi.xsf polycrystal_large.txt polycrystal_large.cfg -wrap

    Ovito で描画すると以下のように確認できました。
    （上：元素種ごとの色分け、下：テンプレートマッチング結果（緑がFCC））
    atomsk_orign.pngatomsk_pattern.png

 

Tips: ASEを用いる方法

単位セルはASEを用いても作成できます。例えば、以下のように作成します。

 

1. Al の fcc 構造を作成

from ase.build import bulk
atoms = bulk(crystalstructure="fcc", name="Al", a=3.584, cubic=True)

2. ランダムに元素を置換する関数を定義

import numpy as np

def random_replace(atoms, elements, replacement_rate=0.75):
    # 原子オブジェクトをコピー
    atoms_c = atoms.copy()

    # 全体の中でランダムに選ぶべき原子の数を計算
    total_atoms = len(atoms_c)
    num_replacements_per_element = int(total_atoms * replacement_rate / len(elements))

    for e in elements:
    # ランダムなインデックスを選択
    rand_indices = np.random.choice(total_atoms, num_replacements_per_element, replace=False)
    # 要素を置換
    atoms_c.numbers[rand_indices] = e

    return atoms_c

3. 置換したい元素を指定して、ランダムに元素を置換

elements = [24, 26, 27, 28] # Cr, Fe, Co, Ni
atoms_HEA = random_replace(atoms*(3, 3, 3), elements)

4. 可視化して結果を確認

from pfcc_extras import view_ngl
view_ngl(atoms_HEA)

多結晶の作成手順2に進みます。

 

 

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